変位検出装置
【課題】高い回折効率を示し、精度良く位置検出を行える変位検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】台形または矩形のレリーフ形状をした回折格子を用いる。また、可干渉光を出射する光源部と、光源部から出射された光束を二つの光束に分割する光束分割部と、を含み、二つの光束をＰ偏光として回折格子上に照射させる照射光学系と、二つの光束が回折格子により回折されることによって生じる二つの第１回折光をそれぞれ反射し、回折格子上にＰ偏光として再入射させる反射光学系を備える。また、回折格子に再入射した二つの第１回折光が回折されて生じる二つの第２回折光を干渉させる干渉光学系と、干渉光学系により干渉した光を受光する受光部と、受光部において取得した干渉信号に基づいて、回折格子の位置情報を検出する位置検出部を備えるものとする。そして、回折格子のレリーフの周期を、回折格子に入射する可干渉光の波長の１．５倍以下とする。
【解決手段】台形または矩形のレリーフ形状をした回折格子を用いる。また、可干渉光を出射する光源部と、光源部から出射された光束を二つの光束に分割する光束分割部と、を含み、二つの光束をＰ偏光として回折格子上に照射させる照射光学系と、二つの光束が回折格子により回折されることによって生じる二つの第１回折光をそれぞれ反射し、回折格子上にＰ偏光として再入射させる反射光学系を備える。また、回折格子に再入射した二つの第１回折光が回折されて生じる二つの第２回折光を干渉させる干渉光学系と、干渉光学系により干渉した光を受光する受光部と、受光部において取得した干渉信号に基づいて、回折格子の位置情報を検出する位置検出部を備えるものとする。そして、回折格子のレリーフの周期を、回折格子に入射する可干渉光の波長の１．５倍以下とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いた非接触センサにより、高精度に被測定面の変位を検出する変位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被測定面の変位や形状を測定する装置として変位検出装置が広く利用されている。
この変位検出装置には、測定対象面上に固定された回折格子に光を照射し、測定対象の移動に伴って生じる回折光の位相変化を検出するものがある。
【０００３】
例えば、下記特許文献１では、光源から出射された可干渉光を二つの可干渉光に分割し、この二つの可干渉光を回折格子に入射させることが開示されている。回折格子に入射した二つの可干渉光が生じる二つの回折光を反射光学系によって反射し、回折格子に再び入射させるものである。
この方法では、一度回折した光を反射光学系によって反射し、回折格子にて再び回折させることで、検出分解能を高めることが可能である。
【０００４】
特に、下記特許文献１では、回折格子に入射する可干渉光を回折格子上において結像させている。また、回折格子によって回折された回折光を結像手段によって平行光にコリメートし、反射器に対して常に垂直に入射させることで、回折光を反射している。
これにより、回折光が回折格子に再入射する際の結像位置や、回折光が回折格子に再入射することによって生じる回折光の光軸がずれるのを防止できる。このため、高精度な一検出を行うことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０２３９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に開示された方法では、回折格子によって回折された回折光を回折格子に再入射させる際に、偏光方向を９０度回転させている。これは、回折格子に最初に入射する可干渉光と、回折格子によって２回回折された後の回折光の偏光方向を９０度異ならせ、両者の分離を効率良く行うためである。
【０００７】
一方で、変位検出の精度を向上させるためには、回折格子を微細化することが必要である。しかし、回折格子を微細化していくと、回折効率は入射光の偏光方向に対して依存性が生じる。
したがって、上記特許文献１に開示された方法において、回折格子に可干渉光を最初に入射させたときの回折効率が高かったとしても、その回折光を再び回折格子に入射させる時には偏光方向が異なるため、２回目の回折では回折効率が低下してしまう。このため、取得される干渉信号が小さくなり、精度の高い位置検出には限界がある。
【０００８】
上述のような点を鑑みて、本発明は、回折格子によって一度回折された光を回折格子によって再び回折させる構成であっても、高い回折効率を示し、精度良く位置検出を行える変位検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明による変位検出装置は、台形または矩形のレリーフ形状をした回折格子を用いる。
また、本発明による変位検出装置は、可干渉光を出射する光源部と、光源部から出射された光束を二つの光束に分割する光束分割部と、を含み、二つの光束をＰ偏光として上述の回折格子上に照射させる照射光学系を備える。
また、上述の二つの光束が回折格子により回折されることによって生じる二つの第１回折光をそれぞれ反射し、回折格子上にＰ偏光として再入射させる反射光学系と、回折格子に再入射した二つの第１回折光が回折されて生じる二つの第２回折光を干渉させる干渉光学系を備える。
また、干渉光学系により干渉した光を受光する受光部と、受光部において取得した干渉信号に基づいて、回折格子の位置情報を検出する位置検出部を備える。
そして、回折格子のレリーフの周期は、回折格子に入射する可干渉光の波長の１．５倍以下とする。
【００１０】
本発明の変位検出装置は、レリーフの周期が、入射する光の波長の１．５倍以下とされた回折格子を用いる。このため、入射するＰ偏光に対して高い回折効率を実現することができる。
またさらに、一度回折格子によって回折された光は、Ｐ偏光として回折格子に再入射する。したがって、回折格子への再入射時においても、高い回折効率が得られる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の変位検出装置によれば、回折格子に入射させた光に対して高い回折効率を実現することができる。このため、大きな干渉信号を取得することが可能であり、精度良く位置検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施の形態に係る変位検出装置の信号取得部の構成を示す概略斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に係る変位検出装置の信号取得部の構成を示す概略構成図である。
【図３】回折格子に入射する光の角度を示す説明図である。
【図４】Ａ，Ｂ 第２の回折光が反射光学系によって反射される光路を示す説明図である。
【図５】回折格子を傾けた時の干渉信号の強さを示す説明図である。
【図６】位置情報検出部の構成を示すブロック図である。
【図７】回折格子の概略断面図である。
【図８】回折格子のレリーフ形状と、回折光強度の関係を示す説明図である。
【図９】回折格子に入射する光を示す説明図である。
【図１０】二次元回折格子に対して、ふたつの信号取得部を配置した状態を示す説明図である。
【図１１】二次元回折格子によって生じる回折光を示す説明図である。
【図１２】二次元回折格子の概略断面図である。
【図１３】二次元回折格子のレリーフ形状と、干渉光強度の関係を示す説明図である。
【図１４】二次元回折格子のレリーフ形状と、干渉光強度の関係を示す説明図である。
【図１５】二次元回折格子のレリーフ形状と、干渉光強度の関係を示す説明図である。
【図１６】二次元回折格子のレリーフ形状と、干渉光強度の関係を示す説明図である。
【図１７】二次元回折格子のレリーフ形状と、干渉光強度の関係を示す説明図である。
【図１８】二次元回折格子のレリーフ形状と、干渉光強度の関係を示す説明図である。
【図１９】回折格子に入射する光の角度を示す説明図である。
【図２０】第２の実施の形態に係る変位検出装置の信号取得部を示す概略斜視図である。
【図２１】第２の実施の形態に係る変位検出装置の信号取得部の構成を示す概略構成図である。
【図２２】第２の実施の形態に係る変位検出装置の信号取得部の構成を示す概略構成図である。
【図２３】回折格子を傾けた時の干渉信号の強さを示す説明図である。
【図２４】Ａ，Ｂ 第３の実施の形態に係る変位検出装置の信号取得部を示す概略構成図である。
【図２５】二次元回折格子に対して、二つの信号取得部により光を照射する位置を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下本発明を実施するための形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
説明は以下の順で行う。
１．第１の実施形態
１−１．信号取得部の構成
１−２．検出部の構成
１−３．回折格子の構成
２．第２の実施の形態
３．第３の実施の形態
【００１４】
１．第１の実施形態
１−１．信号取得部の構成
図１は、第１の実施形態に係る変位検出装置１００の構成を示す概略斜視図である。また、図２は、変位検出装置１００の概略正面図である。ここでは変位検出装置１００のうち、回折格子１と、回折格子１に光を照射して干渉信号を生じさせ、その干渉信号を受光する信号取得部５０についてまず図示し、説明する。
なお、本実施形態に係る変位検出装置１００は、この回折格子１と、信号取得部５０と、後述する取得された干渉信号から位置情報を検出する位置情報検出部６０とによって構成される。
【００１５】
回折格子１は反射型回折格子であり、図1中において、周期構造がＸ軸方向に形成されている。回折格子１は、変位を検出したい対象物に固定され、対象物の移動に伴って回折格子１も移動する。
また、信号取得部５０は、照射光学系１０と、反射光学系２０と、干渉光学系３０と、受光部４０とを有する。
【００１６】
照射光学系１０は、可干渉光を出射する光源部２と、光源部２から出射された光の光路上に配置された光束分割素子４と、光束分割素子４によって分割された二つの光束を反射し、回折格子１上に導くミラー５，６を備える。
光源部２は、例えば半導体レーザダイオードやスーパールミネッセンスダイオード、発光ダイオード等によって構成される。
【００１７】
光源部２から出射された可干渉光は、レンズ３を透過した後、光束分割素子４に入射する。レンズ３は、光源部２から出射された可干渉光を回折格子１上に結像させるためのものである。
また、光束分割素子４には、例えば無偏光ビームスプリッタが用いられる。この光束分割素子４によって、光源部２からの可干渉光は第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２に分割される。
【００１８】
光束分割素子４によって反射された第１の光束Ｌ１は、ミラー５によって反射されることによって光路を変え、回折格子１上の点Ｐ１に入射する。また、光束分割素子４を透過した第２の光束Ｌ２はミラー６によって反射され、回折格子１上の点Ｐ２に入射する。
これらの点Ｐ１,Ｐ２は、回折格子１の周期方向（Ｘ軸方向）上に位置している。
【００１９】
ここで、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２は、回折格子１の面に垂直で、かつ回折格子１の周期方向（Ｘ軸方向）に平行な面Ｓ１に対して、角度γだけ傾いた面Ｓ２上に位置している。
【００２０】
また、光束Ｌ１,Ｌ２は、回折格子１に対してＰ偏光として入射される。特に、本発明において回折格子１に入射するＰ偏光とは、その偏光方向が、光束Ｌ１，Ｌ２がなす面Ｓ２に沿っている光として定義する。
例えば、光源部２の光源に半導体レーザを用いる場合には、直線偏光が出射されるので、出射される光の光軸を中心に半導体レーザを回転させることにより、光束Ｌ１，Ｌ２の偏光方向を上述の偏光方向に合わせることが可能である。
ＬＥＤ等の無偏光光源を用いる場合には、光源部２を無偏光光源と偏光フィルタによって構成し、光源部２を回転させることで光束Ｌ１，Ｌ２の偏光方向を調整できる。
【００２１】
図２は、図１に示した変位検出装置１００を、Ｙ軸方向から見た正面図である。図２に示すように、光束Ｌ１，Ｌ２の入射点Ｐ１，Ｐ２は、光束分割素子４の光束分割面４ａに対して対称な位置にある。
点Ｐ１に入射した光束Ｌ１は、回折格子１によって回折され、第１の回折光Ｌ３が生じる。
【００２２】
Ｙ軸方向から見た図２において、第１の光束Ｌ１の入射角度をΘ１、第１の回折光Ｌ３の回折角をΘ２とすると、回折角Θ２は下記式１によって表わされる。
【数１】
ここで、Λは回折格子１の格子周期であり、λは光の波長、ｍは回折次数、Φは入射する光束Ｌ１と、面Ｓ１のなす角度である。例えば本実施例では、第１の回折光Ｌ３として１次回折光を用いるので、ｍ＝１である。
【００２３】
このΦについて、図３を用いて詳細に説明する。既述のように、光束Ｌ１は面Ｓ２内にあり、また、面Ｓ２は、回折格子１の面に垂直で、かつその周期方向に沿った面Ｓ１に対して角度γだけ傾いている。
この光束Ｌ１を面Ｓ１に投影した光束Ｌ１’の入射角がΘ１であり、光束Ｌ１と光束Ｌ１’とがなす角がΦである。
【００２４】
第１の回折光Ｌ３は、レンズ７によってコリメートされ、例えばミラー８に対してほぼ垂直に入射する。
図４Ａに示すように、レンズ７の回折格子１側の焦点は、回折格子１上に配置される。これにより、回折格子１が、ヨーイング方向（回折格子１の面内方向、図１においてＸ−Ｙ面内方向）やピッチング方向（Ｘ−Ｚ面内方向）に回転したとしても、ミラー８によって反射された第１の回折光Ｌ３が回折格子１に再入射する角度は変化しない。したがって、干渉信号の低下を小さくすることができる。
【００２５】
ただし、本実施の形態においてレンズ７は、回折格子１の点Ｐ１から生じた第１の回折光Ｌ３に対して、レンズ７の光軸Ａｘを距離ｄだけ僅かにずらして配置される。
これにより、ミラー８に入射した第１の回折光Ｌ３は、図４Ａに示すように入射時と異なる光路上に反射される。そして、反射された第１の回折光Ｌ３は、第１の回折光Ｌ３の回折角Θ２と異なる入射角Θ３で、回折格子１上の点Ｐ２に入射する。
【００２６】
もしくは、図４Ｂに示すように、回折格子１上の点Ｐ１からレンズ７に入射する第１の回折光Ｌ３の光軸とレンズ７の光軸を一致させてレンズ７を配置し、ミラー８の反射面を、レンズ７の光軸に対して９０度からΔΘだけ傾けて配置してもよい。
この構成によっても、ミラー８により反射された第１の回折光Ｌ３を、回折格子１上の点Ｐ１とは異なる点Ｐ２に入射させること可能である。なお、レンズ７の焦点は、回折格子１の点Ｐ上に配置されている。
【００２７】
このように、回折格子１からレンズ７に入射する第１の回折光Ｌ３の光路と、ミラー８によって反射された第１の回折光Ｌ３の光路とが異なる場合であっても、上述のようにレンズ７の焦点を回折格子１上に配置することで、同様に干渉信号の低下を小さくできる。
【００２８】
図５は、本実施の形態による変位検出装置１００において、回折格子１をヨーイング方向、及びピッチング方向に回転させた時における干渉信号の変化をシミュレーションしたものである。
レンズ７の焦点距離は２５ｍｍとして、その焦点位置は回折格子１上に配置した状態としている。また、点Ｐ１と点Ｐ２間の距離は１ｍｍである。縦軸は干渉信号の強度であり、回折格子１の回転角が０度の時の干渉信号強度を１とした。また、横軸は回折格子１の回転角である。
【００２９】
図５の線Ｂ１に示すように、ヨーイング方向に回折格子１が回転した場合には、干渉信号の強度にはほとんど変化が見られない。
また、線Ｂ２に示すピッチング方向では、０．５度の回転角においても、０．５以上の干渉信号を維持している。
例えば、レンズ７が配置されていない場合には、ピッチング方向の回転角が１分以下であっても干渉信号はゼロになる。したがって、回折格子１からレンズ７に入射する第１の回折光Ｌ３の光路と、ミラー８によって反射された第１の回折光Ｌ３の光路とが異なる場合であっても、十分に干渉信号の低下を抑制できることがわかる。
【００３０】
図１，２に戻ると、回折格子１上の点Ｐ２に入射角Θ３で入射した第１の回折光Ｌ３は、回折格子１によって回折され、回折角Θ４の第２の回折光Ｌ４が生じる。この第２の回折光Ｌ４は、本実施の形態では１次回折光である。
【００３１】
この第２の回折光Ｌ４は、ミラー５に再入射する。ただし、本実施の形態において、図２中の点Ｐ１及び点Ｐ２に示すように、第１の光束Ｌ１が回折格子１に入射する位置と、第２の回折光Ｌ４が生じる回折格子１上の位置は異なっている。このため、第１の光束Ｌ１と第２の回折光Ｌ４の光路を別々にすることが可能であり、第１の光束Ｌ１と第２の回折光Ｌ４の分離を容易に行うことができる。
【００３２】
また、第１の光束Ｌ１が回折格子１に入射する入射角Θ１と、第２の回折光Ｌ４の回折角Θ４を異なる値に設定することで、第１の光束Ｌ１と第２の回折光Ｌ４の光路をより大きく離すこと可能である。例えばミラー５の角度や、上述したレンズ７の光軸のずれ量等を調整することで、第１の光束Ｌ１の入射角Θ１や第２の回折光Ｌ４の回折角Θ４を変更できる。
ただし、この入射角Θ１及び第２の回折角Θ４は、第１の光束Ｌ２と第２の回折光Ｌ４との分離を十分に行える範囲で、できるだけ小さくすることが好ましい。
【００３３】
一方、光束分割素子４を透過した第２の光束Ｌ２は、ミラー６によって反射され、入射角Θ１で回折格子１上の点Ｐ２に入射する。図２に示すように、ミラー６、レンズ９及びミラー１１は、光束分割素子４の光束分割面４ａに対して、ミラー５、レンズ７、ミラー８と対称に配置される。
したがって、回折格子１上の点Ｐ２に入射した第２の光束Ｌ２は、回折格子１の点Ｐ１に入射した第１の光束Ｌ１と対称の光路をたどる。
【００３４】
例えば、回折格子１上の点Ｐ２に入射した第２の光束Ｌ２は、回折格子１によって回折され、回折角Θ２の第１の回折光Ｌ５を生じる。第１の回折光Ｌ５は、レンズ９を透過するとミラー１１によって反射され、再びレンズ９に入射する。レンズ９を透過した第１の回折光Ｌ５は、入射角Θ３で回折格子１上の点Ｐ１に入射し、回折角Θ４の第２の回折光Ｌ６を生じる。
そして、第２の回折光Ｌ６は、ミラー６に再入射する。
【００３５】
このように、点Ｐ１に入射した第１の光束Ｌ１が第２の回折光Ｌ４としてミラー５に再入射するまでの光路と、点Ｐ２に入射した第２の光束Ｌ２が第２の回折光Ｌ６としてミラー６に再入射するまでの光路は、ともに回折格子１上の点Ｐ１及び点Ｐ２を経由する。
したがって、回折格子１に形状の誤差が局所的に存在した場合であっても、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６は互いに同じ影響を受けるので、位置検出の誤差要因となるのを抑制できる。
【００３６】
ミラー５またはミラー６によって反射された第２の回折光Ｌ４，Ｌ６は、干渉光学系３０に入射する。
干渉光学系３０は、第２の回折光Ｌ６の光路上に配置された１／２波長板１２と、二つの第２の回折光Ｌ４，Ｌ６を同一光路上に合成する光合成部１３と、光合成部１３により合成された光束の光路上に配置された１／４波長板１６を含む。
また、１／４波長板１６を透過した光束を分割する無偏光ビームスプリッタ１７と、無偏光ビームスプリッタ１７によって分割された光束の光路上にそれぞれ配置される偏光ビームスプリッタ１８，１９を含む。
【００３７】
第２の回折光Ｌ６は、１／２波長板１２を透過することにより偏光方向が９０度回転し、Ｓ偏光として光合成部１３に入射する。また、第２の回折光Ｌ４は、ダミーガラス１４を透過した後、光合成部１３にＰ偏光として入射する。
ダミーガラス１４は、１／２波長板１２と同じ光路長を有している。したがって、１／２波長板１２を透過した第２の回折光Ｌ６と、ダミーガラス１４を透過した第２の回折光Ｌ４の光路長は等しい。
【００３８】
第２の回折光Ｌ４は、偏光ビームスプリッタ等の光合成部１３をＰ偏光として透過し、Ｓ偏光である第２の回折光Ｌ６は、光合成部１３によって反射される。これにより、第２の回折光Ｌ４と第２の回折光Ｌ６とが同一光路上に合成される。
【００３９】
本実施の形態では、回折格子１に対して二つの光束をＰ偏光として入射させるために、光束分割素子４として無偏光ビームスプリッタが配置されている。
既述のように、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６は、第１の光束Ｌ１，Ｌ２の光路と異なる光路でミラー５，６に反射されるので、光合成部１３と光束分割素子４を、互いの障害になることなく配置することが可能である。
【００４０】
合成された第２の回折光Ｌ４，Ｌ６は、レンズ１５を透過すると、１／４波長板１６に入射する。なお、レンズ１５は、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６を受光素子２１，２２，２３，２４上に集光させるためのものである。
１／４波長板１６は、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６の偏光方向に対して、光学軸を４５度傾けて配置される。したがって、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６は、１／４波長板１６を透過することにより、互いに逆周りの円偏光となる。
【００４１】
また、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６は、同一光路上にあるので、これらの光が重ね合わされることにより、偏光方向が、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６の位相差の変化（回折格子１の移動による位相の変化）に伴って回転する直線偏光となる。
【００４２】
この直線偏光は、ハーフミラー等の無偏光ビームスプリッタ１７によって二つの光束に分割される。
無偏光ビームスプリッタ１７によって反射された光束は、偏光ビームスプリッタ１８に入射し、そのＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分割される。
また同様に、無偏光ビームスプリッタ１７を透過した光束は、偏光ビームスプリッタ１９に入射し、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分割される。
【００４３】
これらのＳ偏光成分とＰ偏光成分は、受光部４０によって受光される。受光部４０は、偏光ビームスプリッタ１８によって分割された光束をそれぞれ受光する受光素子２１，２２と、偏光ビームスプリッタ１９によって分割された光束をそれぞれ受光する受光素子２３，２４とによって構成される。これらの受光素子２１〜２４には、例えばフォトダイオード等が用いられる。
【００４４】
偏光ビームスプリッタ１８を透過したＰ偏光成分は、受光素子２１に受光され、偏光ビームスプリッタ１８によって反射されたＳ偏光成分は、受光素子２２に受光される。
直線偏光から、偏光ビームスプリッタ等の偏光子によって互いにα度異なる偏光方向の成分を取り出すと、取り出された光の強度から検出される信号は、互いに２α度だけ位相が異なる信号となる。
ここでは、偏光ビームスプリッタ１８によって、偏光方向が互いに９０度異なる偏光成分を取り出しており、受光素子２１，２２によって検出される光の強度信号は、位相が１８０度異なっている。
したがって、受光素子２１，２２によって取得された光の強度信号の差をとることにより、信号の直流成分の変動を除くことができる。
【００４５】
一方、偏光ビームスプリッタ１９に入射した光束のうち、偏光ビームスプリッタ１９によって反射されたＳ偏光成分は、受光素子２３に受光される。また、偏光ビームスプリッタ１９を透過したＰ偏光成分は、受光素子２４に受光される。
ここでも、受光素子２３，２４において検出される光の強度信号は、互いに位相が１８０度異なっている。
【００４６】
また、偏光ビームスプリッタ１９は、偏光ビームスプリッタ１８によって取り出される偏光成分の偏光方向に対して、４５度偏光方向が異なる偏光成分を取り出すように、傾けて配置される。
したがって、偏光ビームスプリッタ１９によって反射されたＳ偏光が、受光素子２３によって受光されると、その光の強度信号は、受光素子２１において取得された信号に対して位相が９０度ずれた信号となる。
また、偏光ビームスプリッタ１９を透過したＰ偏光が、受光素子２４によって受光されると、その光の強度信号は、受光素子２２において取得された信号に対して位相が９０度異なる。
【００４７】
これにより、例えば受光素子２１，２２で得られる信号をｓｉｎ信号、受光素子２３，２４において得られる信号をｃｏｓ信号として用いることによりリサージュ信号を取得することができる。
【００４８】
なお、受光素子２１〜２４で取得される干渉信号は、下記式２で表される電流信号となる。
【数２】
Ｉ１，Ｉ２は、受光素子２１〜２４でそれぞれ取得された第２の回折光Ｌ４，Ｌ６の強度であり、Ｋは回折格子１の波数、δは初期位相である。回折格子１の格子周期をΛとすると、波数Ｋは、Ｋ＝２Π／Λによって表される。また、ｘは、回折格子１の移動量である。
したがって、回折格子１がｘ軸方向にΛ／４だけ移動すると、干渉信号が一周期分だけ変化する。
【００４９】
また、可干渉距離が一定の範囲にある光源部２を用いる場合には、第１の光束Ｌ１が、第２の回折光Ｌ４として光合成部１３に入射するまでの光路と、第２の光束Ｌ２が、第２の回折光Ｌ６として光合成部１３に入射するまでの光路を等しくすることが好ましい。
これにより、波長変動による誤差の発生を小さくすることができる。このような光源としては、例えばマルチモードの半導体レーザやスーパールミネッセンスダイオード等が挙げられる。
こうした光源を用いることにより、光路長の差を干渉縞の変調率の変化として容易に検出することが可能である。また、光路長の調整は、ミラー５，６またはミラー８，１１の位置を調節することによる行うことができる。
【００５０】
１−２．検出部の構成
これらの受光素子２１〜２４によって得られる信号は、図６に示す位置情報検出部６０によって演算され、被測定面の変位量がカウントされる。
【００５１】
受光素子２１，２２によって取得された電流信号は、Ｉ／Ｖ変換器２５，２６によって電圧信号に変換される。Ｉ／Ｖ変換器２５，２６によって変換された電圧信号は、差動増幅器２９によって差動増幅され、干渉信号の直流成分がキャンセルされる。
そして、この信号はＡ／Ｄ変換器３１によってＡ／Ｄ変換され、デジタル信号処理部３３に入力される。デジタル信号処理部３３では、入力された信号の信号振幅やオフセット、位相が補正され、例えばＡ相のインクリメンタル信号として出力される。
【００５２】
また同様に、受光素子２３，２４で得られた電流信号は、Ｉ／Ｖ変換器２７，２８によって電圧信号に変換される。そして、この信号は、差動増幅器３７によって差動増幅された後、Ａ／Ｄ変換器３２によってＡ／Ｄ変換される。
Ａ／Ｄ変換された信号は、デジタル信号処理部３３により信号振幅、オフセット及び位相が補正され、Ａ相と位相が９０度異なるＢ相のインクリメンタル信号として出力される。
【００５３】
こうして得られた２相のインクリメンタル信号は、図示しないパルス弁別回路等により正逆の判別が行われ、これにより、被測定面のＸ軸方向（図１参照）の変位量が、プラス方向であるかマイナス方向であるかを検出できる。
また、図示しないカウンタによってインクリメンタル信号の単位時間の位相変化をカウントすることにより、第２の回折光Ｌ４と第２の回折光Ｌ６との干渉光強度が上述の周期の何周期分変化したのかを計測できる。したがって、これにより被測定面のＸ軸方向の変位量を検出することができる。
【００５４】
なお、本実施形態の位置情報検出部６０が出力する位置情報は、上述の２相のインクリメンタル信号であってもよいし、それから算出された変位量、変位方向を含む信号であってもよい。
また、上述のパルス弁別回路やカウンタは、デジタル信号処理部３３内に内蔵されていてもよい。
【００５５】
１−３．回折格子の構成
（１）１次元回折格子
１次元方向の位置検出を行う場合には、図７に示すように、矩形のレリーフが１次元方向（Ｘ軸方向）に並べられた回折格子１を用いることができる。回折格子１の格子周期をΛとすると、格子周期Λは、回折格子１に入射させる光の波長λの１．５倍以下とされる。
なお、λは回折格子１への入射時における波長であり、真空中での波長をλ０、回折格子１の周囲の雰囲気の屈折率をｎとすると、λ＝λ０／ｎである。
【００５６】
例えば、図８は、γ＝０°（図３参照）、Λ／λ＝１とし、Θ１＝２０°で波長０．７９μｍの光を回折格子１に入射させた場合の１次回折光の光量を、シミュレーションにより求めたものである。
シミュレーションには、ＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Theory）法を用いた。ＲＣＷＡ法は、格子の構造が光の波長と同程度、もしくはそれ以下の場合でも回折光を正確にシミュレーションできる手法である。
なお、縦軸に示す光の光量は、回折格子１への入射光の光量を１としている。また、横軸は、回折格子１の溝の深さｄと、波長λの比を示している。また、この回折格子１には、矩形のレリーフが形成されたガラスの基板３４上に金薄膜３５が形成されたものを用いた。
【００５７】
回折格子１に対して、偏光方向が回折格子１の周期方向に沿ったＰ偏光を入射した場合である線Ｂ３では、最大で０．８を超える光量が得られることがわかる。
これに対して、回折格子１に対してＳ偏光が入射した場合である線Ｂ４では、ｄ／λが０．２〜０．３の範囲において光量がほぼゼロとなっている。
【００５８】
したがって、上記引用文献１のように、回折格子への一回目の入射と二回目の入射とで偏光方向が９０度異なる場合には、例えば一回目の入射をＰ偏光により行ったとしても、二回目にはＳ偏光が入射されるので、二回目の回折光量は非常に小さくなる。
このため、Ｐ偏光による高い回折効率を生かすことができない。
また、回折格子１に対するＰ偏光及びＳ偏光のこうした傾向は、Λ／λが１．５以下になるとより顕著に表れる。
【００５９】
一方、本実施の形態による変位検出装置では、回折格子１への一回目の入射及び二回目の入射の両方において、Ｐ偏光を入射させている。このため、一回目の回折及び二回目の回折の両方において、高い回折効率を実現することが可能であり、受光素子２１〜２４は、より強度の大きな干渉光を受光することができる。すなわち、Ｓ／Ｎ比の大きな検出信号を取得することが可能である。
検出信号の高いＳ／Ｎ比は、信号の１周期を数千分の１に分割して高い分解能を得るために必要となる重要な条件である。
【００６０】
（２）２次元回折格子
２次元方向の変位を検出したい場合には、図９に示すような、２次元方向にレリーフの周期構造が設けられた回折格子１を用いることができる。この回折格子１には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向から見て、断面が矩形または台形となるレリーフが周期的に形成されている。
図１０は、この回折格子１をＺ軸方向から見た上面図である。このＸ軸方向及びＹ軸方向に対応して、二つの信号取得部５０ａ及び５０ｂをそれぞれ配置することにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の変位を検出することが可能になる。
【００６１】
信号取得部５０ａ，５０ｂは、図１に示した信号取得部５０と同一のものである。ただし、信号取得部５０ａから光が入射する回折格子１上の２点は、Ｙ軸方向に並んでいる。また、信号取得部５０ｂから光が入射する回折格子１上の２点は、Ｘ軸方向に並んでいる。
これにより、信号取得部５０ａは、矢印Ａ１に示すＹ軸方向への変位による干渉信号を取得し、信号取得部５０ｂは、矢印Ａ２に示すＸ軸方向への変位による干渉信号を取得する。
信号取得部５０ａ，５０ｂには、図６において示した位置情報検出部６０をそれぞれ接続することで、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の位置情報を検出することができる。
【００６２】
このような２次元の回折格子１に光を入射させると、その回折光は２次元方向に生じる。例えば、図９の矢印Ａ３に示すように、回折格子１に対してＸ軸方向に光が入射した時に生じる可能性がある回折光を図１１に示す。
図１１の矢印ａ〜矢印ｈに示すように、回折格子１の面内において８方向に回折光が生じ得る。ここで、図２における第１の回折光Ｌ３に相当する１次回折光は、矢印ｂに示す回折光である。したがって、変位の検出において、この矢印ｂに示す回折光以外は不要であり、もし矢印ａ，ｃ〜ｈに示す回折光が信号取得部５０ａ，５０ｂに受光されると、正確な干渉信号を取得することができない。
【００６３】
このため、矢印ｂに示す回折光の強度が大きく、矢印ａ，ｃ〜ｈに示す回折光はなるべく小さくなるようにすることが望ましい。
そこで、図１２に示すように、Ｘ軸方向またはＹ軸方向から見て、回折格子１のレリーフを形成する突起３６の側面と、回折格子１の格子面に対する法線とがなす角Θ５を変化させた場合において、上述の方向に生じる回折光の強度をシミュレーションした。
シミュレーションには、上述のＲＣＷＡ法を用い、また、回折格子１の基板３４はガラス基板とし、基板３４上に反射膜として金薄膜３５を形成したものを用いた。
【００６４】
また、Λは回折格子１のレリーフの周期であり、Ｄは突起３６の幅、Ｈは突起３６の高さである。
なお、この突起３６は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向から見て同一の形状をしており、いわゆる正四角錐台形状とする。また、Θ５の値が０度である時には、突起３６はＸ軸方向及びＹ軸方向から見て矩形をした直方体形状となる。
【００６５】
Θ５の値を０度、１０度、２０度、３０度、４０度、５０度とし、回折格子１にＰ偏光を入射した場合における回折光強度を図１３〜図１８にそれぞれ示す。横軸はΛ／λであり、縦軸は、入射光の強度を１とした場合における回折光の強度である。
このシミュレーションでは、１次回折光が最大となる条件での各回折光の強度を求めた。回折格子１の周期Λ／λの値によって回折１次光が最大となるＨ、入射角、Ｄの条件は異なる。しかし、Ｄは概ねＤ／Λ＝０．７〜０．９、入射角は、１次回折光の回折角と入射角とが近い値になる角度（Θ２?Θ１）、Ｈについては、０．１λ〜０．３λの範囲にあるとき、１次回折光が最大となる。
【００６６】
図１３〜図１８では、図１１において示した矢印ａ〜ｈの方向に対応して、プロットされたシンボルにａ〜ｈの符号を付している。また、シンボルｋは回折格子１からの反射光である。
また、シンボルｍは、回折格子１にＳ偏光を入射した場合において、矢印ｂの方向（図１１参照）に生じた回折光の強度を示している。
【００６７】
Θ５の値を０度とした場合である図１３では、Λ／λの値が１．５以下において、線Ｂ５（シンボルｂ）に示す１次回折光が０．６以上となり、高い回折効率を示している。一方で、その他の方向への回折光の強度は、線Ｂ５に示す１次回折光の１／１０以下となっていることがわかる。
また、Λ／λが１．５を超えると、線Ｂ５に示す回折光の強度は急激に低下し、その分、その他の回折光強度が大きくなっている。
【００６８】
また、線Ｂ６（シンボルｍ）に示したＳ偏光の回折光では、１＜Λ／λ＜１．５の範囲において、回折光強度が非常に小さくなっている。このことから、回折格子１に対する一回目の入射及び二回目の入射の両方において、Ｐ偏光を入射させる本実施の形態は、高い回折光強度を得るうえで非常に有効であることがわかる。
なお、Λ／λ＝０．６においては、線Ｂ６（シンボルｍ）に示すＳ偏光の回折光強度は０．８と高くなっている。したがって、このときには回折格子１への入射光としてＳ偏光を用いることも可能である。しかし、それでも線Ｂ５に示すＰ偏光の回折光に比べて１０％以上回折光強度は小さくなる。
【００６９】
また、突起３６の角度Θ５を１０度、２０度、３０度、４０度、５０度とした場合である図１４〜図１８においても、線Ｂ７〜Ｌ１１に示すように、Λ／λが１．５以下では、回折格子１に入射したＰ偏光の１次回折光強度は０．６以上の大きな値となっている。
一方で、その他のＰ偏光の回折光は、Λ／λが１．５以下においてほとんど生じていない。
また、Λ／λが１．５より大きくなると、線Ｂ７〜Ｌ１１に示すＰ偏光の１次回折光強度は、急激に低下している。
【００７０】
なお、Θ５が５０度の場合には、最適のＨの条件では回折格子１の突起３６の形状がほとんど四角錐に近くなる。
これらのことから、回折格子１の突起３６の形状が直方体もしくは正四角錐台の時、Λ／λの値が１．５以下であれば、Θ５の値に関わらず、不要なＰ偏光の回折光は生じないことがわかる。
また、Θ５の値に関わらず、Λ／λの値が１．５以下であれば、Ｐ偏光の１次回折光は、Ｓ偏光の回折光よりも回折効率が高くなると言える。
【００７１】
したがって、本実施の形態において２次元の回折格子を用いる場合にも、Λ／λの値が１．５以下とした回折格子を用いることが好ましい。これにより、高い強度の干渉信号を取得することができ、変位検出の精度を高めることが可能である。
【００７２】
ただし、本実施の形態では、図１，３に示したように、回折格子１に入射させる第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、面Ｓ２が面Ｓ１に対して角度γ傾いている分だけ、Ｙ軸方向への傾きを有している。このＹ軸方向への傾きが大きくなり過ぎると、回折光量は、上述の図１３〜図１８に示した値からずれてくる。
【００７３】
ここで、図１９に示すように、回折格子１に入射する第１の光束Ｌ１を、ＹＺ面である面Ｓ４に投影した光束Ｌ１ａの入射角をΘｓ（＝γ）、第１の光束Ｌ１と面Ｓ４がなす角度をΦｓとする。
この時、１＜ΛｃｏｓΦｓ／λ＜１．５の場合には、下記式３を満たすように、γの値を設定するとよい。
【数３】
γの値を大きくしていくと、Ｙ軸方向において−１次の回折光が出なくなり、＋１次の回折光のみが生じるようになる。式３は、Ｙ軸方向において±１次光の両方が生じるγの範囲を示している。図１３〜図１８に示したシミュレーション結果では、このような条件を仮定した。したがって、同様にＹ軸方向に±１次光の両方が生じるように、γを上述の式３の範囲内に設定することで、上述の図１３〜図１８に示した値と同様の回折光量を得ることができる。
【００７４】
また、ΛｃｏｓΦｓ／λ＜１の場合には、下記式４を満たすように、γの値を設定するとよい。
【数４】
ΛｃｏｓΦｓ／λ＜１の場合、すなわち、回折格子１の周期を小さくしていくと、Ｙ軸方向において１次の回折光の回折角が大きくなる。そして、ある所定の値よりも周期が小さくなるとＹ軸方向に１次回折光が生じず、０次光（反射光）のみが生じるようになる。上述の図１３〜図１８のシミュレーションでは、このような条件を仮定した。
しかし、γの値を大きくしていくと、回折格子１の周期が小さくても１次の回折光が生じるようになる。上記式４は、回折格子１の周期が小さい場合においても、１次回折光が生じず、０次光のみが生じる角度γの範囲を示しており、この範囲に設定することで、上述の図１３〜図１８に示したものと同等の回折条件とすることができ、同様の回折光量を得ることが可能である。
【００７５】
２．第２の実施の形態
図２０は、第２の実施の形態に係る変位検出装置２００の概略構成を示す斜視図である。なお、第１の実施の形態（図１参照）において示した部位と対応する部位には同じ符号を付し、重複した説明を避ける。
本実施形態の変位検出装置は、干渉信号を生じさせ、この干渉信号を取得する信号取得部７０と、取得された干渉信号から位置情報を検出する位置情報検出部とによって構成される。位置情報検出部は、第１の実施の形態（図６）において示したものと同じであってよく、ここでは図示及び説明を省略する。
【００７６】
信号取得部７０は、回折格子１と、照射光学系１０と、反射光学系２０と、干渉光学系３０と、受光部４０とを有する。
回折格子１、照射光学系１０、干渉光学系３０、受光部４０の構成は、基本的に第１の実施の形態と同じであってよい。ただし、本実施の形態では、回折格子１からの回折光を、反射光学系２０によって回折格子１に再入射させる位置が異なる。
【００７７】
図２１は、この信号取得部７０をＸ軸方向から見たものであり、図２２は、Ｙ軸方向から見た場合である。
図２１，２２に示すように、本実施の形態では、回折格子１からの回折光は、反射光学系２０によって、回折格子１からの出射位置とはＹ軸方向に異なる位置に再入射する。
【００７８】
例えば、図２１に示すように、光束分割素子４によって分割された第１の光束Ｌ１は、回折格子１上の点Ｐ３に入射する。これにより生じた第１の回折光Ｌ３は、レンズ７を透過した後ミラー８によって反射され、回折格子１上の点Ｐ３とはＹ軸方向に位置が異なる点Ｐ４に入射する。
そして、これにより生じた第２の回折光Ｌ４は、図示しないミラー６によって反射された後ダミーガラス１４を透過し、光合成部１３に入射する。
【００７９】
このように本実施の形態では、Ｙ軸方向に第１の光束Ｌ１と第２の回折光Ｌ４の光路をずらしている。このため光束分割素子４と光合成部１３は、Ｙ軸方向に重ねて配置されており、ダミーガラス１４は、光合成部１３の光入射面にのみ設けられる。
【００８０】
また、図２２に示すように、光束分割素子４によって分割された第２の光束Ｌ２（図２１では図示を省略）は、回折格子１上の点Ｐ３に入射する。これにより生じた第１の回折光Ｌ５は、レンズ９を透過した後ミラー１１によって反射され、回折格子上の点Ｐ４に再入射する。
点Ｐ４への再入射によって生じた第２の回折光Ｌ６は、ミラー６によって反射され、１／２波長板１２を透過した後、光合成部１３に入射する。
【００８１】
本実施形態では、光を入射させる回折格子１上の点Ｐ３、点Ｐ４をＹ軸方向にずらしているので、図２２に示すように、第１の光束Ｌ１と第２の回折光Ｌ４の光路は、Ｙ軸方向から見てほぼ一致している。
また、第２の光束Ｌ２と第２の回折光Ｌ６の光路も、Ｙ軸方向から見てほぼ一致している。
【００８２】
また、光合成部１３に入射した第２の回折光Ｌ４，Ｌ６が受光部４０に受光されるまでの経路、及び受光部４０によって取得された干渉信号から位置情報を検出する方法は、第１の実施の形態と同様である。
【００８３】
本実施の形態においても、回折格子１のレリーフの周期は、回折格子１に入射する光の波長の１．５倍以下とされる。また第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、回折格子１に対してＰ偏光として入射し、反射光学系２０によって反射された第１の回折光Ｌ３，Ｌ５もまた、Ｐ偏光として回折格子１に入射する。このため、第１の実施の形態と同様に高い回折効率を実現でき、より大きな干渉信号が得られるので、精度の高い位置検出を行うことが可能である。
【００８４】
また、その他の構成、効果についても、第１の実施の形態と同様である。
例えば、反射光学系２０に入射した回折光を、回折格子１上の異なる点に反射する方法は、第１の実施の形態（図４参照）と同じであってよい。すなわち、レンズ７の光軸をずらすか、もしくはミラー８を傾けることで行える。ただし、光軸をずらす方向、またはミラー８を傾ける方向は、Ｙ軸方向に沿った方向とする。
【００８５】
また、レンズ７，９の焦点は、本実施の形態においても回折格子１上に配置される。
図２３は、本実施の形態において、回折格子１を、ヨーイング方向（回折格子１の面内方向、図２０においてＸ−Ｙ面内方向）やピッチング方向（Ｘ−Ｚ面内方向）に回転させたときに得られる干渉信号の強度を示している。
横軸は回折格子１の回転角であり、縦軸は干渉信号強度である。なお、回転角がゼロのときの干渉信号を１とし、レンズ７，８の焦点距離が２５ｍｍ、点Ｐ３と点Ｐ４の間の距離を０．６ｍｍとしている。
【００８６】
線Ｂ１１に示すヨーイング方向では、１度の回転角でも、回転角がゼロの場合と比較して９５％以上の干渉信号を維持している。
また、線Ｂ１１に示すピッチング方向においても、１度の回折角において、９０％近い干渉信号を維持している。
したがって、第１の実施の形態において示した図５と比較すると、回折格子１の回転に対しては、本実施の形態による変位検出装置２００の方が、許容範囲を大きくとることが可能であると言える。
【００８７】
３．第３の実施の形態
また、回折格子１として二次元の回折格子を用いる場合には、測定方向に対応してそれぞれ設けられる二つの信号取得部を、交差させて配置することも可能である。
図２４は、第３の実施の形態に係る変位検出装置３００の概略構成図である。図２４Ａは、この変位検出装置３００をＹ軸方向から見たものであり、図２４Ｂは、Ｘ軸方向から見たものである。第１の実施の形態（図１参照）と対応する部位には同一符号を付し、重複した説明を避ける。
【００８８】
本実施の形態による変位検出装置３００は、回折格子１と、二つの信号取得部７０ａ，７０ｂと、図示を省略する位置情報検出部とによって構成される。
回折格子１は、第１の実施の形態（図９，１０，１２参照）において示したものと同じものが用いられる。したがって、この回折格子のレリーフの周期Λは、入射する光の波長λに対して、Λ／λが１．５以下となるように構成される。また、その他の回折格子１の構成についても、第１の実施の形態と同様である。
【００８９】
また、信号取得部７０ａ，７０ｂの基本構成は、それぞれ第２の実施の形態（図２０，２１，２２参照）において示した信号取得部７０と同一の構成をとる。
ただし、本実施の形態では、信号取得部７０ａと信号取得部７０ｂは、交差するように配置される。信号取得部７０ａと信号取得部７０ｂの交差とは、例えば図２４からわかるように、信号取得部７０ａの照射光学系を構成する二つのミラー５ｃ，６ｃを結ぶ線と、信号取得部７０ｂの照射光学系を構成する二つのミラー５ｄ，６ｄとを結ぶ線が交差している状態を指す。
【００９０】
図２４Ａに示すように、信号取得部７０ａでは、回折格子１に対してＸ軸方向に異なる二つの点Ｐ５，Ｐ６にＰ偏光を照射し、その回折光による干渉信号を取得する。
また、図２４Ｂに示すように、信号取得部７０ｂでは、回折格子１に対してＹ軸方向に異なる二つの点Ｐ７，Ｐ８にＰ偏光を照射し、その回折光による干渉信号を取得する。
【００９１】
すなわち、図２５に示すように、回折格子１をＺ軸方向から見ると、信号取得部７０ａにより光が照射される二つの点Ｐ５，Ｐ６を結ぶ線分と、信号取得部７０ｂにより光が照射される二つの点Ｐ７，Ｐ８を結ぶ線分は交差している。特に、本実施の形態では、この二つの線分の中心位置が互いに一致するように信号取得部７０ａ，７０ｂが配置される。
【００９２】
信号取得部７０ａは、点Ｐ５，Ｐ６からの干渉信号を取得し、この干渉信号をもとに、図示しない位置情報検出部がＸ軸方向の位置情報を検出する。
また同様に、信号取得部７０ｂは、点Ｐ７，Ｐ８からの干渉信号を取得し、この干渉信号をもとに、図示しない位置情報検出部がＹ軸方向の位置情報を検出する。この位置情報検出部は、第１の実施の形態（図６参照）において示したものと同じであってよく、例えば信号取得部７０ａ，７０ｂにそれぞれ接続される。ただし、一つのデジタル信号処理部３３によって信号取得部７０ａ，７０ｂ両方の信号を処理してもよい。
【００９３】
例えば、図１０のように、信号取得部５０ａと信号取得部５０ｂの間の距離が離れていると、信号取得部５０ａによる回折格子１上の光照射点と、信号取得部５０ｂによる回折格子１上の光照射点との間の距離が大きくなる。
回折格子１上において、Ｘ軸方向の変位を測定する位置と、Ｙ軸方向の変位を測定する位置が大きく異なると、回折格子１が例えばピッチング方向に傾いている場合には、正確な変位検出を行うことが難しくなる。
【００９４】
これに対して、本実施の形態では、上述のように二つの信号取得部７０ａ，７０ｂを交差させて配置することにより、回折格子１上への光照射点Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ８を互いに近づけることができる。このため、誤差の小さい正確な変位検出を行うことが可能である。
【００９５】
本実施の形態においても、回折格子１のレリーフの周期は、回折格子１に入射する光の波長の１．５倍以下とされる。また、回折格子１に入射する光は、常にＰ偏光として回折格子１に入射するので、第１の実施の形態と同様により高い干渉信号を得ることができる。したがって、精度良く二次元方向の位置検出を行うことができる。
また、その他の構成、効果についても、第１の実施の形態と同様である。
なお、本実施形態では、信号取得部７０ａ，７０ｂの基本構成は、それぞれ第２の実施の形態を用いたが、第1の実施の形態を用いても、本実施例と同様に構成することが可能である。
【００９６】
以上、変位検出装置の実施の形態について説明した。本技術は上記実施の形態にとらわれることなく、特許請求の範囲に記載した本技術の要旨を逸脱しない限りにおいて、考えられる種々の形態を含むものである。
【符号の説明】
【００９７】
１・・・回折格子、２・・・光源部、３・・・レンズ、４・・・光束分割素子、４ａ・・・光束分割面、５，５ｃ，５ｄ，６，８，１１・・・ミラー、７，９，１５・・・レンズ、１０・・・照射光学系、１２・・・１／２波長板、１３・・・光合成部、１４・・・ダミーガラス、１５・・・レンズ、１６・・・１／４波長板、１７，１８，１９・・・無偏光ビームスプリッタ、２０・・・反射光学系、２１，２２，２３，２４・・・受光素子、２５，２６，２７，２８・・・Ｉ／Ｖ変換器、２９，３４・・・差動増幅器、３０・・・干渉光学系、３１，３２・・・Ａ／Ｄ変換器、３３・・・デジタル信号処理部、３４・・・基板、３５・・・金薄膜、３６・・・突起、３７・・・差動増幅器、４０・・・受光部、５０，５０ａ，５０ｂ，７０，７０ａ，７０ｂ・・・信号取得部、６０・・・位置情報検出部、１００，２００，３００・・・変位検出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いた非接触センサにより、高精度に被測定面の変位を検出する変位検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、被測定面の変位や形状を測定する装置として変位検出装置が広く利用されている。
この変位検出装置には、測定対象面上に固定された回折格子に光を照射し、測定対象の移動に伴って生じる回折光の位相変化を検出するものがある。
【０００３】
例えば、下記特許文献１では、光源から出射された可干渉光を二つの可干渉光に分割し、この二つの可干渉光を回折格子に入射させることが開示されている。回折格子に入射した二つの可干渉光が生じる二つの回折光を反射光学系によって反射し、回折格子に再び入射させるものである。
この方法では、一度回折した光を反射光学系によって反射し、回折格子にて再び回折させることで、検出分解能を高めることが可能である。
【０００４】
特に、下記特許文献１では、回折格子に入射する可干渉光を回折格子上において結像させている。また、回折格子によって回折された回折光を結像手段によって平行光にコリメートし、反射器に対して常に垂直に入射させることで、回折光を反射している。
これにより、回折光が回折格子に再入射する際の結像位置や、回折光が回折格子に再入射することによって生じる回折光の光軸がずれるのを防止できる。このため、高精度な一検出を行うことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第４０２３９２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に開示された方法では、回折格子によって回折された回折光を回折格子に再入射させる際に、偏光方向を９０度回転させている。これは、回折格子に最初に入射する可干渉光と、回折格子によって２回回折された後の回折光の偏光方向を９０度異ならせ、両者の分離を効率良く行うためである。
【０００７】
一方で、変位検出の精度を向上させるためには、回折格子を微細化することが必要である。しかし、回折格子を微細化していくと、回折効率は入射光の偏光方向に対して依存性が生じる。
したがって、上記特許文献１に開示された方法において、回折格子に可干渉光を最初に入射させたときの回折効率が高かったとしても、その回折光を再び回折格子に入射させる時には偏光方向が異なるため、２回目の回折では回折効率が低下してしまう。このため、取得される干渉信号が小さくなり、精度の高い位置検出には限界がある。
【０００８】
上述のような点を鑑みて、本発明は、回折格子によって一度回折された光を回折格子によって再び回折させる構成であっても、高い回折効率を示し、精度良く位置検出を行える変位検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明による変位検出装置は、台形または矩形のレリーフ形状をした回折格子を用いる。
また、本発明による変位検出装置は、可干渉光を出射する光源部と、光源部から出射された光束を二つの光束に分割する光束分割部と、を含み、二つの光束をＰ偏光として上述の回折格子上に照射させる照射光学系を備える。
また、上述の二つの光束が回折格子により回折されることによって生じる二つの第１回折光をそれぞれ反射し、回折格子上にＰ偏光として再入射させる反射光学系と、回折格子に再入射した二つの第１回折光が回折されて生じる二つの第２回折光を干渉させる干渉光学系を備える。
また、干渉光学系により干渉した光を受光する受光部と、受光部において取得した干渉信号に基づいて、回折格子の位置情報を検出する位置検出部を備える。
そして、回折格子のレリーフの周期は、回折格子に入射する可干渉光の波長の１．５倍以下とする。
【００１０】
本発明の変位検出装置は、レリーフの周期が、入射する光の波長の１．５倍以下とされた回折格子を用いる。このため、入射するＰ偏光に対して高い回折効率を実現することができる。
またさらに、一度回折格子によって回折された光は、Ｐ偏光として回折格子に再入射する。したがって、回折格子への再入射時においても、高い回折効率が得られる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の変位検出装置によれば、回折格子に入射させた光に対して高い回折効率を実現することができる。このため、大きな干渉信号を取得することが可能であり、精度良く位置検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施の形態に係る変位検出装置の信号取得部の構成を示す概略斜視図である。
【図２】第１の実施の形態に係る変位検出装置の信号取得部の構成を示す概略構成図である。
【図３】回折格子に入射する光の角度を示す説明図である。
【図４】Ａ，Ｂ 第２の回折光が反射光学系によって反射される光路を示す説明図である。
【図５】回折格子を傾けた時の干渉信号の強さを示す説明図である。
【図６】位置情報検出部の構成を示すブロック図である。
【図７】回折格子の概略断面図である。
【図８】回折格子のレリーフ形状と、回折光強度の関係を示す説明図である。
【図９】回折格子に入射する光を示す説明図である。
【図１０】二次元回折格子に対して、ふたつの信号取得部を配置した状態を示す説明図である。
【図１１】二次元回折格子によって生じる回折光を示す説明図である。
【図１２】二次元回折格子の概略断面図である。
【図１３】二次元回折格子のレリーフ形状と、干渉光強度の関係を示す説明図である。
【図１４】二次元回折格子のレリーフ形状と、干渉光強度の関係を示す説明図である。
【図１５】二次元回折格子のレリーフ形状と、干渉光強度の関係を示す説明図である。
【図１６】二次元回折格子のレリーフ形状と、干渉光強度の関係を示す説明図である。
【図１７】二次元回折格子のレリーフ形状と、干渉光強度の関係を示す説明図である。
【図１８】二次元回折格子のレリーフ形状と、干渉光強度の関係を示す説明図である。
【図１９】回折格子に入射する光の角度を示す説明図である。
【図２０】第２の実施の形態に係る変位検出装置の信号取得部を示す概略斜視図である。
【図２１】第２の実施の形態に係る変位検出装置の信号取得部の構成を示す概略構成図である。
【図２２】第２の実施の形態に係る変位検出装置の信号取得部の構成を示す概略構成図である。
【図２３】回折格子を傾けた時の干渉信号の強さを示す説明図である。
【図２４】Ａ，Ｂ 第３の実施の形態に係る変位検出装置の信号取得部を示す概略構成図である。
【図２５】二次元回折格子に対して、二つの信号取得部により光を照射する位置を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下本発明を実施するための形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
説明は以下の順で行う。
１．第１の実施形態
１−１．信号取得部の構成
１−２．検出部の構成
１−３．回折格子の構成
２．第２の実施の形態
３．第３の実施の形態
【００１４】
１．第１の実施形態
１−１．信号取得部の構成
図１は、第１の実施形態に係る変位検出装置１００の構成を示す概略斜視図である。また、図２は、変位検出装置１００の概略正面図である。ここでは変位検出装置１００のうち、回折格子１と、回折格子１に光を照射して干渉信号を生じさせ、その干渉信号を受光する信号取得部５０についてまず図示し、説明する。
なお、本実施形態に係る変位検出装置１００は、この回折格子１と、信号取得部５０と、後述する取得された干渉信号から位置情報を検出する位置情報検出部６０とによって構成される。
【００１５】
回折格子１は反射型回折格子であり、図1中において、周期構造がＸ軸方向に形成されている。回折格子１は、変位を検出したい対象物に固定され、対象物の移動に伴って回折格子１も移動する。
また、信号取得部５０は、照射光学系１０と、反射光学系２０と、干渉光学系３０と、受光部４０とを有する。
【００１６】
照射光学系１０は、可干渉光を出射する光源部２と、光源部２から出射された光の光路上に配置された光束分割素子４と、光束分割素子４によって分割された二つの光束を反射し、回折格子１上に導くミラー５，６を備える。
光源部２は、例えば半導体レーザダイオードやスーパールミネッセンスダイオード、発光ダイオード等によって構成される。
【００１７】
光源部２から出射された可干渉光は、レンズ３を透過した後、光束分割素子４に入射する。レンズ３は、光源部２から出射された可干渉光を回折格子１上に結像させるためのものである。
また、光束分割素子４には、例えば無偏光ビームスプリッタが用いられる。この光束分割素子４によって、光源部２からの可干渉光は第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２に分割される。
【００１８】
光束分割素子４によって反射された第１の光束Ｌ１は、ミラー５によって反射されることによって光路を変え、回折格子１上の点Ｐ１に入射する。また、光束分割素子４を透過した第２の光束Ｌ２はミラー６によって反射され、回折格子１上の点Ｐ２に入射する。
これらの点Ｐ１,Ｐ２は、回折格子１の周期方向（Ｘ軸方向）上に位置している。
【００１９】
ここで、第１の光束Ｌ１と第２の光束Ｌ２は、回折格子１の面に垂直で、かつ回折格子１の周期方向（Ｘ軸方向）に平行な面Ｓ１に対して、角度γだけ傾いた面Ｓ２上に位置している。
【００２０】
また、光束Ｌ１,Ｌ２は、回折格子１に対してＰ偏光として入射される。特に、本発明において回折格子１に入射するＰ偏光とは、その偏光方向が、光束Ｌ１，Ｌ２がなす面Ｓ２に沿っている光として定義する。
例えば、光源部２の光源に半導体レーザを用いる場合には、直線偏光が出射されるので、出射される光の光軸を中心に半導体レーザを回転させることにより、光束Ｌ１，Ｌ２の偏光方向を上述の偏光方向に合わせることが可能である。
ＬＥＤ等の無偏光光源を用いる場合には、光源部２を無偏光光源と偏光フィルタによって構成し、光源部２を回転させることで光束Ｌ１，Ｌ２の偏光方向を調整できる。
【００２１】
図２は、図１に示した変位検出装置１００を、Ｙ軸方向から見た正面図である。図２に示すように、光束Ｌ１，Ｌ２の入射点Ｐ１，Ｐ２は、光束分割素子４の光束分割面４ａに対して対称な位置にある。
点Ｐ１に入射した光束Ｌ１は、回折格子１によって回折され、第１の回折光Ｌ３が生じる。
【００２２】
Ｙ軸方向から見た図２において、第１の光束Ｌ１の入射角度をΘ１、第１の回折光Ｌ３の回折角をΘ２とすると、回折角Θ２は下記式１によって表わされる。
【数１】
ここで、Λは回折格子１の格子周期であり、λは光の波長、ｍは回折次数、Φは入射する光束Ｌ１と、面Ｓ１のなす角度である。例えば本実施例では、第１の回折光Ｌ３として１次回折光を用いるので、ｍ＝１である。
【００２３】
このΦについて、図３を用いて詳細に説明する。既述のように、光束Ｌ１は面Ｓ２内にあり、また、面Ｓ２は、回折格子１の面に垂直で、かつその周期方向に沿った面Ｓ１に対して角度γだけ傾いている。
この光束Ｌ１を面Ｓ１に投影した光束Ｌ１’の入射角がΘ１であり、光束Ｌ１と光束Ｌ１’とがなす角がΦである。
【００２４】
第１の回折光Ｌ３は、レンズ７によってコリメートされ、例えばミラー８に対してほぼ垂直に入射する。
図４Ａに示すように、レンズ７の回折格子１側の焦点は、回折格子１上に配置される。これにより、回折格子１が、ヨーイング方向（回折格子１の面内方向、図１においてＸ−Ｙ面内方向）やピッチング方向（Ｘ−Ｚ面内方向）に回転したとしても、ミラー８によって反射された第１の回折光Ｌ３が回折格子１に再入射する角度は変化しない。したがって、干渉信号の低下を小さくすることができる。
【００２５】
ただし、本実施の形態においてレンズ７は、回折格子１の点Ｐ１から生じた第１の回折光Ｌ３に対して、レンズ７の光軸Ａｘを距離ｄだけ僅かにずらして配置される。
これにより、ミラー８に入射した第１の回折光Ｌ３は、図４Ａに示すように入射時と異なる光路上に反射される。そして、反射された第１の回折光Ｌ３は、第１の回折光Ｌ３の回折角Θ２と異なる入射角Θ３で、回折格子１上の点Ｐ２に入射する。
【００２６】
もしくは、図４Ｂに示すように、回折格子１上の点Ｐ１からレンズ７に入射する第１の回折光Ｌ３の光軸とレンズ７の光軸を一致させてレンズ７を配置し、ミラー８の反射面を、レンズ７の光軸に対して９０度からΔΘだけ傾けて配置してもよい。
この構成によっても、ミラー８により反射された第１の回折光Ｌ３を、回折格子１上の点Ｐ１とは異なる点Ｐ２に入射させること可能である。なお、レンズ７の焦点は、回折格子１の点Ｐ上に配置されている。
【００２７】
このように、回折格子１からレンズ７に入射する第１の回折光Ｌ３の光路と、ミラー８によって反射された第１の回折光Ｌ３の光路とが異なる場合であっても、上述のようにレンズ７の焦点を回折格子１上に配置することで、同様に干渉信号の低下を小さくできる。
【００２８】
図５は、本実施の形態による変位検出装置１００において、回折格子１をヨーイング方向、及びピッチング方向に回転させた時における干渉信号の変化をシミュレーションしたものである。
レンズ７の焦点距離は２５ｍｍとして、その焦点位置は回折格子１上に配置した状態としている。また、点Ｐ１と点Ｐ２間の距離は１ｍｍである。縦軸は干渉信号の強度であり、回折格子１の回転角が０度の時の干渉信号強度を１とした。また、横軸は回折格子１の回転角である。
【００２９】
図５の線Ｂ１に示すように、ヨーイング方向に回折格子１が回転した場合には、干渉信号の強度にはほとんど変化が見られない。
また、線Ｂ２に示すピッチング方向では、０．５度の回転角においても、０．５以上の干渉信号を維持している。
例えば、レンズ７が配置されていない場合には、ピッチング方向の回転角が１分以下であっても干渉信号はゼロになる。したがって、回折格子１からレンズ７に入射する第１の回折光Ｌ３の光路と、ミラー８によって反射された第１の回折光Ｌ３の光路とが異なる場合であっても、十分に干渉信号の低下を抑制できることがわかる。
【００３０】
図１，２に戻ると、回折格子１上の点Ｐ２に入射角Θ３で入射した第１の回折光Ｌ３は、回折格子１によって回折され、回折角Θ４の第２の回折光Ｌ４が生じる。この第２の回折光Ｌ４は、本実施の形態では１次回折光である。
【００３１】
この第２の回折光Ｌ４は、ミラー５に再入射する。ただし、本実施の形態において、図２中の点Ｐ１及び点Ｐ２に示すように、第１の光束Ｌ１が回折格子１に入射する位置と、第２の回折光Ｌ４が生じる回折格子１上の位置は異なっている。このため、第１の光束Ｌ１と第２の回折光Ｌ４の光路を別々にすることが可能であり、第１の光束Ｌ１と第２の回折光Ｌ４の分離を容易に行うことができる。
【００３２】
また、第１の光束Ｌ１が回折格子１に入射する入射角Θ１と、第２の回折光Ｌ４の回折角Θ４を異なる値に設定することで、第１の光束Ｌ１と第２の回折光Ｌ４の光路をより大きく離すこと可能である。例えばミラー５の角度や、上述したレンズ７の光軸のずれ量等を調整することで、第１の光束Ｌ１の入射角Θ１や第２の回折光Ｌ４の回折角Θ４を変更できる。
ただし、この入射角Θ１及び第２の回折角Θ４は、第１の光束Ｌ２と第２の回折光Ｌ４との分離を十分に行える範囲で、できるだけ小さくすることが好ましい。
【００３３】
一方、光束分割素子４を透過した第２の光束Ｌ２は、ミラー６によって反射され、入射角Θ１で回折格子１上の点Ｐ２に入射する。図２に示すように、ミラー６、レンズ９及びミラー１１は、光束分割素子４の光束分割面４ａに対して、ミラー５、レンズ７、ミラー８と対称に配置される。
したがって、回折格子１上の点Ｐ２に入射した第２の光束Ｌ２は、回折格子１の点Ｐ１に入射した第１の光束Ｌ１と対称の光路をたどる。
【００３４】
例えば、回折格子１上の点Ｐ２に入射した第２の光束Ｌ２は、回折格子１によって回折され、回折角Θ２の第１の回折光Ｌ５を生じる。第１の回折光Ｌ５は、レンズ９を透過するとミラー１１によって反射され、再びレンズ９に入射する。レンズ９を透過した第１の回折光Ｌ５は、入射角Θ３で回折格子１上の点Ｐ１に入射し、回折角Θ４の第２の回折光Ｌ６を生じる。
そして、第２の回折光Ｌ６は、ミラー６に再入射する。
【００３５】
このように、点Ｐ１に入射した第１の光束Ｌ１が第２の回折光Ｌ４としてミラー５に再入射するまでの光路と、点Ｐ２に入射した第２の光束Ｌ２が第２の回折光Ｌ６としてミラー６に再入射するまでの光路は、ともに回折格子１上の点Ｐ１及び点Ｐ２を経由する。
したがって、回折格子１に形状の誤差が局所的に存在した場合であっても、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６は互いに同じ影響を受けるので、位置検出の誤差要因となるのを抑制できる。
【００３６】
ミラー５またはミラー６によって反射された第２の回折光Ｌ４，Ｌ６は、干渉光学系３０に入射する。
干渉光学系３０は、第２の回折光Ｌ６の光路上に配置された１／２波長板１２と、二つの第２の回折光Ｌ４，Ｌ６を同一光路上に合成する光合成部１３と、光合成部１３により合成された光束の光路上に配置された１／４波長板１６を含む。
また、１／４波長板１６を透過した光束を分割する無偏光ビームスプリッタ１７と、無偏光ビームスプリッタ１７によって分割された光束の光路上にそれぞれ配置される偏光ビームスプリッタ１８，１９を含む。
【００３７】
第２の回折光Ｌ６は、１／２波長板１２を透過することにより偏光方向が９０度回転し、Ｓ偏光として光合成部１３に入射する。また、第２の回折光Ｌ４は、ダミーガラス１４を透過した後、光合成部１３にＰ偏光として入射する。
ダミーガラス１４は、１／２波長板１２と同じ光路長を有している。したがって、１／２波長板１２を透過した第２の回折光Ｌ６と、ダミーガラス１４を透過した第２の回折光Ｌ４の光路長は等しい。
【００３８】
第２の回折光Ｌ４は、偏光ビームスプリッタ等の光合成部１３をＰ偏光として透過し、Ｓ偏光である第２の回折光Ｌ６は、光合成部１３によって反射される。これにより、第２の回折光Ｌ４と第２の回折光Ｌ６とが同一光路上に合成される。
【００３９】
本実施の形態では、回折格子１に対して二つの光束をＰ偏光として入射させるために、光束分割素子４として無偏光ビームスプリッタが配置されている。
既述のように、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６は、第１の光束Ｌ１，Ｌ２の光路と異なる光路でミラー５，６に反射されるので、光合成部１３と光束分割素子４を、互いの障害になることなく配置することが可能である。
【００４０】
合成された第２の回折光Ｌ４，Ｌ６は、レンズ１５を透過すると、１／４波長板１６に入射する。なお、レンズ１５は、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６を受光素子２１，２２，２３，２４上に集光させるためのものである。
１／４波長板１６は、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６の偏光方向に対して、光学軸を４５度傾けて配置される。したがって、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６は、１／４波長板１６を透過することにより、互いに逆周りの円偏光となる。
【００４１】
また、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６は、同一光路上にあるので、これらの光が重ね合わされることにより、偏光方向が、第２の回折光Ｌ４，Ｌ６の位相差の変化（回折格子１の移動による位相の変化）に伴って回転する直線偏光となる。
【００４２】
この直線偏光は、ハーフミラー等の無偏光ビームスプリッタ１７によって二つの光束に分割される。
無偏光ビームスプリッタ１７によって反射された光束は、偏光ビームスプリッタ１８に入射し、そのＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分割される。
また同様に、無偏光ビームスプリッタ１７を透過した光束は、偏光ビームスプリッタ１９に入射し、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分割される。
【００４３】
これらのＳ偏光成分とＰ偏光成分は、受光部４０によって受光される。受光部４０は、偏光ビームスプリッタ１８によって分割された光束をそれぞれ受光する受光素子２１，２２と、偏光ビームスプリッタ１９によって分割された光束をそれぞれ受光する受光素子２３，２４とによって構成される。これらの受光素子２１〜２４には、例えばフォトダイオード等が用いられる。
【００４４】
偏光ビームスプリッタ１８を透過したＰ偏光成分は、受光素子２１に受光され、偏光ビームスプリッタ１８によって反射されたＳ偏光成分は、受光素子２２に受光される。
直線偏光から、偏光ビームスプリッタ等の偏光子によって互いにα度異なる偏光方向の成分を取り出すと、取り出された光の強度から検出される信号は、互いに２α度だけ位相が異なる信号となる。
ここでは、偏光ビームスプリッタ１８によって、偏光方向が互いに９０度異なる偏光成分を取り出しており、受光素子２１，２２によって検出される光の強度信号は、位相が１８０度異なっている。
したがって、受光素子２１，２２によって取得された光の強度信号の差をとることにより、信号の直流成分の変動を除くことができる。
【００４５】
一方、偏光ビームスプリッタ１９に入射した光束のうち、偏光ビームスプリッタ１９によって反射されたＳ偏光成分は、受光素子２３に受光される。また、偏光ビームスプリッタ１９を透過したＰ偏光成分は、受光素子２４に受光される。
ここでも、受光素子２３，２４において検出される光の強度信号は、互いに位相が１８０度異なっている。
【００４６】
また、偏光ビームスプリッタ１９は、偏光ビームスプリッタ１８によって取り出される偏光成分の偏光方向に対して、４５度偏光方向が異なる偏光成分を取り出すように、傾けて配置される。
したがって、偏光ビームスプリッタ１９によって反射されたＳ偏光が、受光素子２３によって受光されると、その光の強度信号は、受光素子２１において取得された信号に対して位相が９０度ずれた信号となる。
また、偏光ビームスプリッタ１９を透過したＰ偏光が、受光素子２４によって受光されると、その光の強度信号は、受光素子２２において取得された信号に対して位相が９０度異なる。
【００４７】
これにより、例えば受光素子２１，２２で得られる信号をｓｉｎ信号、受光素子２３，２４において得られる信号をｃｏｓ信号として用いることによりリサージュ信号を取得することができる。
【００４８】
なお、受光素子２１〜２４で取得される干渉信号は、下記式２で表される電流信号となる。
【数２】
Ｉ１，Ｉ２は、受光素子２１〜２４でそれぞれ取得された第２の回折光Ｌ４，Ｌ６の強度であり、Ｋは回折格子１の波数、δは初期位相である。回折格子１の格子周期をΛとすると、波数Ｋは、Ｋ＝２Π／Λによって表される。また、ｘは、回折格子１の移動量である。
したがって、回折格子１がｘ軸方向にΛ／４だけ移動すると、干渉信号が一周期分だけ変化する。
【００４９】
また、可干渉距離が一定の範囲にある光源部２を用いる場合には、第１の光束Ｌ１が、第２の回折光Ｌ４として光合成部１３に入射するまでの光路と、第２の光束Ｌ２が、第２の回折光Ｌ６として光合成部１３に入射するまでの光路を等しくすることが好ましい。
これにより、波長変動による誤差の発生を小さくすることができる。このような光源としては、例えばマルチモードの半導体レーザやスーパールミネッセンスダイオード等が挙げられる。
こうした光源を用いることにより、光路長の差を干渉縞の変調率の変化として容易に検出することが可能である。また、光路長の調整は、ミラー５，６またはミラー８，１１の位置を調節することによる行うことができる。
【００５０】
１−２．検出部の構成
これらの受光素子２１〜２４によって得られる信号は、図６に示す位置情報検出部６０によって演算され、被測定面の変位量がカウントされる。
【００５１】
受光素子２１，２２によって取得された電流信号は、Ｉ／Ｖ変換器２５，２６によって電圧信号に変換される。Ｉ／Ｖ変換器２５，２６によって変換された電圧信号は、差動増幅器２９によって差動増幅され、干渉信号の直流成分がキャンセルされる。
そして、この信号はＡ／Ｄ変換器３１によってＡ／Ｄ変換され、デジタル信号処理部３３に入力される。デジタル信号処理部３３では、入力された信号の信号振幅やオフセット、位相が補正され、例えばＡ相のインクリメンタル信号として出力される。
【００５２】
また同様に、受光素子２３，２４で得られた電流信号は、Ｉ／Ｖ変換器２７，２８によって電圧信号に変換される。そして、この信号は、差動増幅器３７によって差動増幅された後、Ａ／Ｄ変換器３２によってＡ／Ｄ変換される。
Ａ／Ｄ変換された信号は、デジタル信号処理部３３により信号振幅、オフセット及び位相が補正され、Ａ相と位相が９０度異なるＢ相のインクリメンタル信号として出力される。
【００５３】
こうして得られた２相のインクリメンタル信号は、図示しないパルス弁別回路等により正逆の判別が行われ、これにより、被測定面のＸ軸方向（図１参照）の変位量が、プラス方向であるかマイナス方向であるかを検出できる。
また、図示しないカウンタによってインクリメンタル信号の単位時間の位相変化をカウントすることにより、第２の回折光Ｌ４と第２の回折光Ｌ６との干渉光強度が上述の周期の何周期分変化したのかを計測できる。したがって、これにより被測定面のＸ軸方向の変位量を検出することができる。
【００５４】
なお、本実施形態の位置情報検出部６０が出力する位置情報は、上述の２相のインクリメンタル信号であってもよいし、それから算出された変位量、変位方向を含む信号であってもよい。
また、上述のパルス弁別回路やカウンタは、デジタル信号処理部３３内に内蔵されていてもよい。
【００５５】
１−３．回折格子の構成
（１）１次元回折格子
１次元方向の位置検出を行う場合には、図７に示すように、矩形のレリーフが１次元方向（Ｘ軸方向）に並べられた回折格子１を用いることができる。回折格子１の格子周期をΛとすると、格子周期Λは、回折格子１に入射させる光の波長λの１．５倍以下とされる。
なお、λは回折格子１への入射時における波長であり、真空中での波長をλ０、回折格子１の周囲の雰囲気の屈折率をｎとすると、λ＝λ０／ｎである。
【００５６】
例えば、図８は、γ＝０°（図３参照）、Λ／λ＝１とし、Θ１＝２０°で波長０．７９μｍの光を回折格子１に入射させた場合の１次回折光の光量を、シミュレーションにより求めたものである。
シミュレーションには、ＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Theory）法を用いた。ＲＣＷＡ法は、格子の構造が光の波長と同程度、もしくはそれ以下の場合でも回折光を正確にシミュレーションできる手法である。
なお、縦軸に示す光の光量は、回折格子１への入射光の光量を１としている。また、横軸は、回折格子１の溝の深さｄと、波長λの比を示している。また、この回折格子１には、矩形のレリーフが形成されたガラスの基板３４上に金薄膜３５が形成されたものを用いた。
【００５７】
回折格子１に対して、偏光方向が回折格子１の周期方向に沿ったＰ偏光を入射した場合である線Ｂ３では、最大で０．８を超える光量が得られることがわかる。
これに対して、回折格子１に対してＳ偏光が入射した場合である線Ｂ４では、ｄ／λが０．２〜０．３の範囲において光量がほぼゼロとなっている。
【００５８】
したがって、上記引用文献１のように、回折格子への一回目の入射と二回目の入射とで偏光方向が９０度異なる場合には、例えば一回目の入射をＰ偏光により行ったとしても、二回目にはＳ偏光が入射されるので、二回目の回折光量は非常に小さくなる。
このため、Ｐ偏光による高い回折効率を生かすことができない。
また、回折格子１に対するＰ偏光及びＳ偏光のこうした傾向は、Λ／λが１．５以下になるとより顕著に表れる。
【００５９】
一方、本実施の形態による変位検出装置では、回折格子１への一回目の入射及び二回目の入射の両方において、Ｐ偏光を入射させている。このため、一回目の回折及び二回目の回折の両方において、高い回折効率を実現することが可能であり、受光素子２１〜２４は、より強度の大きな干渉光を受光することができる。すなわち、Ｓ／Ｎ比の大きな検出信号を取得することが可能である。
検出信号の高いＳ／Ｎ比は、信号の１周期を数千分の１に分割して高い分解能を得るために必要となる重要な条件である。
【００６０】
（２）２次元回折格子
２次元方向の変位を検出したい場合には、図９に示すような、２次元方向にレリーフの周期構造が設けられた回折格子１を用いることができる。この回折格子１には、Ｘ軸方向及びＹ軸方向から見て、断面が矩形または台形となるレリーフが周期的に形成されている。
図１０は、この回折格子１をＺ軸方向から見た上面図である。このＸ軸方向及びＹ軸方向に対応して、二つの信号取得部５０ａ及び５０ｂをそれぞれ配置することにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の変位を検出することが可能になる。
【００６１】
信号取得部５０ａ，５０ｂは、図１に示した信号取得部５０と同一のものである。ただし、信号取得部５０ａから光が入射する回折格子１上の２点は、Ｙ軸方向に並んでいる。また、信号取得部５０ｂから光が入射する回折格子１上の２点は、Ｘ軸方向に並んでいる。
これにより、信号取得部５０ａは、矢印Ａ１に示すＹ軸方向への変位による干渉信号を取得し、信号取得部５０ｂは、矢印Ａ２に示すＸ軸方向への変位による干渉信号を取得する。
信号取得部５０ａ，５０ｂには、図６において示した位置情報検出部６０をそれぞれ接続することで、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の位置情報を検出することができる。
【００６２】
このような２次元の回折格子１に光を入射させると、その回折光は２次元方向に生じる。例えば、図９の矢印Ａ３に示すように、回折格子１に対してＸ軸方向に光が入射した時に生じる可能性がある回折光を図１１に示す。
図１１の矢印ａ〜矢印ｈに示すように、回折格子１の面内において８方向に回折光が生じ得る。ここで、図２における第１の回折光Ｌ３に相当する１次回折光は、矢印ｂに示す回折光である。したがって、変位の検出において、この矢印ｂに示す回折光以外は不要であり、もし矢印ａ，ｃ〜ｈに示す回折光が信号取得部５０ａ，５０ｂに受光されると、正確な干渉信号を取得することができない。
【００６３】
このため、矢印ｂに示す回折光の強度が大きく、矢印ａ，ｃ〜ｈに示す回折光はなるべく小さくなるようにすることが望ましい。
そこで、図１２に示すように、Ｘ軸方向またはＹ軸方向から見て、回折格子１のレリーフを形成する突起３６の側面と、回折格子１の格子面に対する法線とがなす角Θ５を変化させた場合において、上述の方向に生じる回折光の強度をシミュレーションした。
シミュレーションには、上述のＲＣＷＡ法を用い、また、回折格子１の基板３４はガラス基板とし、基板３４上に反射膜として金薄膜３５を形成したものを用いた。
【００６４】
また、Λは回折格子１のレリーフの周期であり、Ｄは突起３６の幅、Ｈは突起３６の高さである。
なお、この突起３６は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向から見て同一の形状をしており、いわゆる正四角錐台形状とする。また、Θ５の値が０度である時には、突起３６はＸ軸方向及びＹ軸方向から見て矩形をした直方体形状となる。
【００６５】
Θ５の値を０度、１０度、２０度、３０度、４０度、５０度とし、回折格子１にＰ偏光を入射した場合における回折光強度を図１３〜図１８にそれぞれ示す。横軸はΛ／λであり、縦軸は、入射光の強度を１とした場合における回折光の強度である。
このシミュレーションでは、１次回折光が最大となる条件での各回折光の強度を求めた。回折格子１の周期Λ／λの値によって回折１次光が最大となるＨ、入射角、Ｄの条件は異なる。しかし、Ｄは概ねＤ／Λ＝０．７〜０．９、入射角は、１次回折光の回折角と入射角とが近い値になる角度（Θ２?Θ１）、Ｈについては、０．１λ〜０．３λの範囲にあるとき、１次回折光が最大となる。
【００６６】
図１３〜図１８では、図１１において示した矢印ａ〜ｈの方向に対応して、プロットされたシンボルにａ〜ｈの符号を付している。また、シンボルｋは回折格子１からの反射光である。
また、シンボルｍは、回折格子１にＳ偏光を入射した場合において、矢印ｂの方向（図１１参照）に生じた回折光の強度を示している。
【００６７】
Θ５の値を０度とした場合である図１３では、Λ／λの値が１．５以下において、線Ｂ５（シンボルｂ）に示す１次回折光が０．６以上となり、高い回折効率を示している。一方で、その他の方向への回折光の強度は、線Ｂ５に示す１次回折光の１／１０以下となっていることがわかる。
また、Λ／λが１．５を超えると、線Ｂ５に示す回折光の強度は急激に低下し、その分、その他の回折光強度が大きくなっている。
【００６８】
また、線Ｂ６（シンボルｍ）に示したＳ偏光の回折光では、１＜Λ／λ＜１．５の範囲において、回折光強度が非常に小さくなっている。このことから、回折格子１に対する一回目の入射及び二回目の入射の両方において、Ｐ偏光を入射させる本実施の形態は、高い回折光強度を得るうえで非常に有効であることがわかる。
なお、Λ／λ＝０．６においては、線Ｂ６（シンボルｍ）に示すＳ偏光の回折光強度は０．８と高くなっている。したがって、このときには回折格子１への入射光としてＳ偏光を用いることも可能である。しかし、それでも線Ｂ５に示すＰ偏光の回折光に比べて１０％以上回折光強度は小さくなる。
【００６９】
また、突起３６の角度Θ５を１０度、２０度、３０度、４０度、５０度とした場合である図１４〜図１８においても、線Ｂ７〜Ｌ１１に示すように、Λ／λが１．５以下では、回折格子１に入射したＰ偏光の１次回折光強度は０．６以上の大きな値となっている。
一方で、その他のＰ偏光の回折光は、Λ／λが１．５以下においてほとんど生じていない。
また、Λ／λが１．５より大きくなると、線Ｂ７〜Ｌ１１に示すＰ偏光の１次回折光強度は、急激に低下している。
【００７０】
なお、Θ５が５０度の場合には、最適のＨの条件では回折格子１の突起３６の形状がほとんど四角錐に近くなる。
これらのことから、回折格子１の突起３６の形状が直方体もしくは正四角錐台の時、Λ／λの値が１．５以下であれば、Θ５の値に関わらず、不要なＰ偏光の回折光は生じないことがわかる。
また、Θ５の値に関わらず、Λ／λの値が１．５以下であれば、Ｐ偏光の１次回折光は、Ｓ偏光の回折光よりも回折効率が高くなると言える。
【００７１】
したがって、本実施の形態において２次元の回折格子を用いる場合にも、Λ／λの値が１．５以下とした回折格子を用いることが好ましい。これにより、高い強度の干渉信号を取得することができ、変位検出の精度を高めることが可能である。
【００７２】
ただし、本実施の形態では、図１，３に示したように、回折格子１に入射させる第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、面Ｓ２が面Ｓ１に対して角度γ傾いている分だけ、Ｙ軸方向への傾きを有している。このＹ軸方向への傾きが大きくなり過ぎると、回折光量は、上述の図１３〜図１８に示した値からずれてくる。
【００７３】
ここで、図１９に示すように、回折格子１に入射する第１の光束Ｌ１を、ＹＺ面である面Ｓ４に投影した光束Ｌ１ａの入射角をΘｓ（＝γ）、第１の光束Ｌ１と面Ｓ４がなす角度をΦｓとする。
この時、１＜ΛｃｏｓΦｓ／λ＜１．５の場合には、下記式３を満たすように、γの値を設定するとよい。
【数３】
γの値を大きくしていくと、Ｙ軸方向において−１次の回折光が出なくなり、＋１次の回折光のみが生じるようになる。式３は、Ｙ軸方向において±１次光の両方が生じるγの範囲を示している。図１３〜図１８に示したシミュレーション結果では、このような条件を仮定した。したがって、同様にＹ軸方向に±１次光の両方が生じるように、γを上述の式３の範囲内に設定することで、上述の図１３〜図１８に示した値と同様の回折光量を得ることができる。
【００７４】
また、ΛｃｏｓΦｓ／λ＜１の場合には、下記式４を満たすように、γの値を設定するとよい。
【数４】
ΛｃｏｓΦｓ／λ＜１の場合、すなわち、回折格子１の周期を小さくしていくと、Ｙ軸方向において１次の回折光の回折角が大きくなる。そして、ある所定の値よりも周期が小さくなるとＹ軸方向に１次回折光が生じず、０次光（反射光）のみが生じるようになる。上述の図１３〜図１８のシミュレーションでは、このような条件を仮定した。
しかし、γの値を大きくしていくと、回折格子１の周期が小さくても１次の回折光が生じるようになる。上記式４は、回折格子１の周期が小さい場合においても、１次回折光が生じず、０次光のみが生じる角度γの範囲を示しており、この範囲に設定することで、上述の図１３〜図１８に示したものと同等の回折条件とすることができ、同様の回折光量を得ることが可能である。
【００７５】
２．第２の実施の形態
図２０は、第２の実施の形態に係る変位検出装置２００の概略構成を示す斜視図である。なお、第１の実施の形態（図１参照）において示した部位と対応する部位には同じ符号を付し、重複した説明を避ける。
本実施形態の変位検出装置は、干渉信号を生じさせ、この干渉信号を取得する信号取得部７０と、取得された干渉信号から位置情報を検出する位置情報検出部とによって構成される。位置情報検出部は、第１の実施の形態（図６）において示したものと同じであってよく、ここでは図示及び説明を省略する。
【００７６】
信号取得部７０は、回折格子１と、照射光学系１０と、反射光学系２０と、干渉光学系３０と、受光部４０とを有する。
回折格子１、照射光学系１０、干渉光学系３０、受光部４０の構成は、基本的に第１の実施の形態と同じであってよい。ただし、本実施の形態では、回折格子１からの回折光を、反射光学系２０によって回折格子１に再入射させる位置が異なる。
【００７７】
図２１は、この信号取得部７０をＸ軸方向から見たものであり、図２２は、Ｙ軸方向から見た場合である。
図２１，２２に示すように、本実施の形態では、回折格子１からの回折光は、反射光学系２０によって、回折格子１からの出射位置とはＹ軸方向に異なる位置に再入射する。
【００７８】
例えば、図２１に示すように、光束分割素子４によって分割された第１の光束Ｌ１は、回折格子１上の点Ｐ３に入射する。これにより生じた第１の回折光Ｌ３は、レンズ７を透過した後ミラー８によって反射され、回折格子１上の点Ｐ３とはＹ軸方向に位置が異なる点Ｐ４に入射する。
そして、これにより生じた第２の回折光Ｌ４は、図示しないミラー６によって反射された後ダミーガラス１４を透過し、光合成部１３に入射する。
【００７９】
このように本実施の形態では、Ｙ軸方向に第１の光束Ｌ１と第２の回折光Ｌ４の光路をずらしている。このため光束分割素子４と光合成部１３は、Ｙ軸方向に重ねて配置されており、ダミーガラス１４は、光合成部１３の光入射面にのみ設けられる。
【００８０】
また、図２２に示すように、光束分割素子４によって分割された第２の光束Ｌ２（図２１では図示を省略）は、回折格子１上の点Ｐ３に入射する。これにより生じた第１の回折光Ｌ５は、レンズ９を透過した後ミラー１１によって反射され、回折格子上の点Ｐ４に再入射する。
点Ｐ４への再入射によって生じた第２の回折光Ｌ６は、ミラー６によって反射され、１／２波長板１２を透過した後、光合成部１３に入射する。
【００８１】
本実施形態では、光を入射させる回折格子１上の点Ｐ３、点Ｐ４をＹ軸方向にずらしているので、図２２に示すように、第１の光束Ｌ１と第２の回折光Ｌ４の光路は、Ｙ軸方向から見てほぼ一致している。
また、第２の光束Ｌ２と第２の回折光Ｌ６の光路も、Ｙ軸方向から見てほぼ一致している。
【００８２】
また、光合成部１３に入射した第２の回折光Ｌ４，Ｌ６が受光部４０に受光されるまでの経路、及び受光部４０によって取得された干渉信号から位置情報を検出する方法は、第１の実施の形態と同様である。
【００８３】
本実施の形態においても、回折格子１のレリーフの周期は、回折格子１に入射する光の波長の１．５倍以下とされる。また第１の光束Ｌ１及び第２の光束Ｌ２は、回折格子１に対してＰ偏光として入射し、反射光学系２０によって反射された第１の回折光Ｌ３，Ｌ５もまた、Ｐ偏光として回折格子１に入射する。このため、第１の実施の形態と同様に高い回折効率を実現でき、より大きな干渉信号が得られるので、精度の高い位置検出を行うことが可能である。
【００８４】
また、その他の構成、効果についても、第１の実施の形態と同様である。
例えば、反射光学系２０に入射した回折光を、回折格子１上の異なる点に反射する方法は、第１の実施の形態（図４参照）と同じであってよい。すなわち、レンズ７の光軸をずらすか、もしくはミラー８を傾けることで行える。ただし、光軸をずらす方向、またはミラー８を傾ける方向は、Ｙ軸方向に沿った方向とする。
【００８５】
また、レンズ７，９の焦点は、本実施の形態においても回折格子１上に配置される。
図２３は、本実施の形態において、回折格子１を、ヨーイング方向（回折格子１の面内方向、図２０においてＸ−Ｙ面内方向）やピッチング方向（Ｘ−Ｚ面内方向）に回転させたときに得られる干渉信号の強度を示している。
横軸は回折格子１の回転角であり、縦軸は干渉信号強度である。なお、回転角がゼロのときの干渉信号を１とし、レンズ７，８の焦点距離が２５ｍｍ、点Ｐ３と点Ｐ４の間の距離を０．６ｍｍとしている。
【００８６】
線Ｂ１１に示すヨーイング方向では、１度の回転角でも、回転角がゼロの場合と比較して９５％以上の干渉信号を維持している。
また、線Ｂ１１に示すピッチング方向においても、１度の回折角において、９０％近い干渉信号を維持している。
したがって、第１の実施の形態において示した図５と比較すると、回折格子１の回転に対しては、本実施の形態による変位検出装置２００の方が、許容範囲を大きくとることが可能であると言える。
【００８７】
３．第３の実施の形態
また、回折格子１として二次元の回折格子を用いる場合には、測定方向に対応してそれぞれ設けられる二つの信号取得部を、交差させて配置することも可能である。
図２４は、第３の実施の形態に係る変位検出装置３００の概略構成図である。図２４Ａは、この変位検出装置３００をＹ軸方向から見たものであり、図２４Ｂは、Ｘ軸方向から見たものである。第１の実施の形態（図１参照）と対応する部位には同一符号を付し、重複した説明を避ける。
【００８８】
本実施の形態による変位検出装置３００は、回折格子１と、二つの信号取得部７０ａ，７０ｂと、図示を省略する位置情報検出部とによって構成される。
回折格子１は、第１の実施の形態（図９，１０，１２参照）において示したものと同じものが用いられる。したがって、この回折格子のレリーフの周期Λは、入射する光の波長λに対して、Λ／λが１．５以下となるように構成される。また、その他の回折格子１の構成についても、第１の実施の形態と同様である。
【００８９】
また、信号取得部７０ａ，７０ｂの基本構成は、それぞれ第２の実施の形態（図２０，２１，２２参照）において示した信号取得部７０と同一の構成をとる。
ただし、本実施の形態では、信号取得部７０ａと信号取得部７０ｂは、交差するように配置される。信号取得部７０ａと信号取得部７０ｂの交差とは、例えば図２４からわかるように、信号取得部７０ａの照射光学系を構成する二つのミラー５ｃ，６ｃを結ぶ線と、信号取得部７０ｂの照射光学系を構成する二つのミラー５ｄ，６ｄとを結ぶ線が交差している状態を指す。
【００９０】
図２４Ａに示すように、信号取得部７０ａでは、回折格子１に対してＸ軸方向に異なる二つの点Ｐ５，Ｐ６にＰ偏光を照射し、その回折光による干渉信号を取得する。
また、図２４Ｂに示すように、信号取得部７０ｂでは、回折格子１に対してＹ軸方向に異なる二つの点Ｐ７，Ｐ８にＰ偏光を照射し、その回折光による干渉信号を取得する。
【００９１】
すなわち、図２５に示すように、回折格子１をＺ軸方向から見ると、信号取得部７０ａにより光が照射される二つの点Ｐ５，Ｐ６を結ぶ線分と、信号取得部７０ｂにより光が照射される二つの点Ｐ７，Ｐ８を結ぶ線分は交差している。特に、本実施の形態では、この二つの線分の中心位置が互いに一致するように信号取得部７０ａ，７０ｂが配置される。
【００９２】
信号取得部７０ａは、点Ｐ５，Ｐ６からの干渉信号を取得し、この干渉信号をもとに、図示しない位置情報検出部がＸ軸方向の位置情報を検出する。
また同様に、信号取得部７０ｂは、点Ｐ７，Ｐ８からの干渉信号を取得し、この干渉信号をもとに、図示しない位置情報検出部がＹ軸方向の位置情報を検出する。この位置情報検出部は、第１の実施の形態（図６参照）において示したものと同じであってよく、例えば信号取得部７０ａ，７０ｂにそれぞれ接続される。ただし、一つのデジタル信号処理部３３によって信号取得部７０ａ，７０ｂ両方の信号を処理してもよい。
【００９３】
例えば、図１０のように、信号取得部５０ａと信号取得部５０ｂの間の距離が離れていると、信号取得部５０ａによる回折格子１上の光照射点と、信号取得部５０ｂによる回折格子１上の光照射点との間の距離が大きくなる。
回折格子１上において、Ｘ軸方向の変位を測定する位置と、Ｙ軸方向の変位を測定する位置が大きく異なると、回折格子１が例えばピッチング方向に傾いている場合には、正確な変位検出を行うことが難しくなる。
【００９４】
これに対して、本実施の形態では、上述のように二つの信号取得部７０ａ，７０ｂを交差させて配置することにより、回折格子１上への光照射点Ｐ５，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ８を互いに近づけることができる。このため、誤差の小さい正確な変位検出を行うことが可能である。
【００９５】
本実施の形態においても、回折格子１のレリーフの周期は、回折格子１に入射する光の波長の１．５倍以下とされる。また、回折格子１に入射する光は、常にＰ偏光として回折格子１に入射するので、第１の実施の形態と同様により高い干渉信号を得ることができる。したがって、精度良く二次元方向の位置検出を行うことができる。
また、その他の構成、効果についても、第１の実施の形態と同様である。
なお、本実施形態では、信号取得部７０ａ，７０ｂの基本構成は、それぞれ第２の実施の形態を用いたが、第1の実施の形態を用いても、本実施例と同様に構成することが可能である。
【００９６】
以上、変位検出装置の実施の形態について説明した。本技術は上記実施の形態にとらわれることなく、特許請求の範囲に記載した本技術の要旨を逸脱しない限りにおいて、考えられる種々の形態を含むものである。
【符号の説明】
【００９７】
１・・・回折格子、２・・・光源部、３・・・レンズ、４・・・光束分割素子、４ａ・・・光束分割面、５，５ｃ，５ｄ，６，８，１１・・・ミラー、７，９，１５・・・レンズ、１０・・・照射光学系、１２・・・１／２波長板、１３・・・光合成部、１４・・・ダミーガラス、１５・・・レンズ、１６・・・１／４波長板、１７，１８，１９・・・無偏光ビームスプリッタ、２０・・・反射光学系、２１，２２，２３，２４・・・受光素子、２５，２６，２７，２８・・・Ｉ／Ｖ変換器、２９，３４・・・差動増幅器、３０・・・干渉光学系、３１，３２・・・Ａ／Ｄ変換器、３３・・・デジタル信号処理部、３４・・・基板、３５・・・金薄膜、３６・・・突起、３７・・・差動増幅器、４０・・・受光部、５０，５０ａ，５０ｂ，７０，７０ａ，７０ｂ・・・信号取得部、６０・・・位置情報検出部、１００，２００，３００・・・変位検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
台形または矩形のレリーフ形状をした回折格子と、
可干渉光を出射する光源部と、前記光源部から出射された光束を二つの光束に分割する光束分割部と、を含み、前記二つの光束をＰ偏光として前記回折格子上に照射させる照射光学系と、
前記二つの光束が前記回折格子により回折されることによって生じる二つの第１回折光をそれぞれ反射し、前記回折格子上にＰ偏光として再入射させる反射光学系と、
前記回折格子に再入射した二つの前記第１回折光が回折されて生じる二つの第２回折光を干渉させる干渉光学系と、
前記干渉光学系により干渉した光を受光する受光部と、
前記受光部において取得した干渉信号に基づいて、前記回折格子の位置情報を検出する位置情報検出部と、
を備え、前記回折格子のレリーフの周期は、前記回折格子に入射する前記可干渉光の波長の１．５倍以下である
変位検出装置。
【請求項２】
前記レリーフの周期構造は、前記回折格子の２次元方向に形成され、前記２次元方向の一つの方向ごとに、前記照射光学系と前記反射光学系と前記干渉光学系と、前記受光部と、前記位置情報検出部とがそれぞれ配設される請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記反射光学系は、前記回折格子により回折された前記第１回折光を、前記二つの光束が前記回折格子に入射した位置とは異なる位置に結像し、再入射させる請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項１】
台形または矩形のレリーフ形状をした回折格子と、
可干渉光を出射する光源部と、前記光源部から出射された光束を二つの光束に分割する光束分割部と、を含み、前記二つの光束をＰ偏光として前記回折格子上に照射させる照射光学系と、
前記二つの光束が前記回折格子により回折されることによって生じる二つの第１回折光をそれぞれ反射し、前記回折格子上にＰ偏光として再入射させる反射光学系と、
前記回折格子に再入射した二つの前記第１回折光が回折されて生じる二つの第２回折光を干渉させる干渉光学系と、
前記干渉光学系により干渉した光を受光する受光部と、
前記受光部において取得した干渉信号に基づいて、前記回折格子の位置情報を検出する位置情報検出部と、
を備え、前記回折格子のレリーフの周期は、前記回折格子に入射する前記可干渉光の波長の１．５倍以下である
変位検出装置。
【請求項２】
前記レリーフの周期構造は、前記回折格子の２次元方向に形成され、前記２次元方向の一つの方向ごとに、前記照射光学系と前記反射光学系と前記干渉光学系と、前記受光部と、前記位置情報検出部とがそれぞれ配設される請求項１に記載の変位検出装置。
【請求項３】
前記反射光学系は、前記回折格子により回折された前記第１回折光を、前記二つの光束が前記回折格子に入射した位置とは異なる位置に結像し、再入射させる請求項１に記載の変位検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２０１２−２３７６４４（Ｐ２０１２−２３７６４４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０６６８４（Ｐ２０１１−１０６６８４）
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（０００１４６８４７）株式会社森精機製作所 (204)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月６日（２０１２．１２．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月１１日（２０１１．５．１１）
【出願人】（０００１４６８４７）株式会社森精機製作所 (204)
【Ｆターム（参考）】
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